胡 誠

（蘇州高博軟件技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇 蘇州 215163）

0 引言

濕度的檢測與控制無論是在科研、實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)還是對物品的存儲(chǔ)都具有重要意義，而對濕度的準(zhǔn)確檢測與控制就顯得尤為重要，特別對濕度要求較高的室內(nèi)，如實(shí)驗(yàn)室與倉庫等。一般提高檢測與控制的準(zhǔn)確度的方法有選性能優(yōu)良的元器件，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)等。要有準(zhǔn)確的控制首先要有準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)采用多個(gè)無線濕度傳感器節(jié)點(diǎn)對空間的多點(diǎn)位濕度進(jìn)行測量，最后將這些測量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理。通過無線濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的合理分布，以及根據(jù)檢測數(shù)據(jù)合理放置濕度控制設(shè)備可有效的改善濕度檢測與控制的準(zhǔn)確性，以此避免用單個(gè)傳感器的測量數(shù)據(jù)來控制濕度控制設(shè)備“以偏概全”帶來的測量誤差。相比有線的多點(diǎn)測量傳感器，無線傳感器安裝方便分布更廣，位置調(diào)整簡單，靈活多變，適合更大空間濕度的測量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。由無線濕度傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的濕度信號發(fā)送到接收模塊，經(jīng)收發(fā)模塊對信號進(jìn)行濾波放大、解調(diào)、再放大后送入單片機(jī)，單片機(jī)將信號處理后將測量數(shù)據(jù)送顯示電路由數(shù)碼管顯示。設(shè)定的濕度值由鍵盤輸入，由此與測量值產(chǎn)生的誤差信號作為單片機(jī)控制信號去控制加濕或去濕電路。本設(shè)計(jì)要求測量值與設(shè)定值的絕對誤差控制在3%RH以內(nèi)，如超出此范圍單片機(jī)將發(fā)出報(bào)警信號給報(bào)警電路。本系統(tǒng)還可與上位機(jī)(PC機(jī))通信，實(shí)現(xiàn)濕度數(shù)據(jù)的傳輸與打印及分析等功能，也能將報(bào)警信號傳輸給上位機(jī)。系統(tǒng)中的無線濕度傳感器節(jié)點(diǎn)模塊是根據(jù)實(shí)際的空間合理分布的，有多個(gè)功能相同的節(jié)點(diǎn)模塊，本框圖僅畫出一個(gè)。

圖1 濕度檢測與控制系統(tǒng)框圖

2 主要模塊設(shè)計(jì)

2.1 無線濕度傳感器節(jié)點(diǎn)

無線濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的組成如圖2所示。它一般由濕度傳感器模塊、處理模塊、無線收發(fā)模塊和能量供應(yīng)模塊這4部分組成。

濕度傳感器模塊（由濕度傳感器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器組成）負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理模塊（由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括CPU、存儲(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)等）負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作、存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線收發(fā)模塊 （由無線通信器件組成）負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常采用微型電池。

圖2 無線濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的組成

本設(shè)計(jì)中由于被監(jiān)控區(qū)域是室內(nèi)大空間，所以可以根據(jù)實(shí)際空間的情況來合理布置無線傳感器節(jié)點(diǎn)。如對于一個(gè)空間可以在六個(gè)面的中心部位及空間中心部位分別放置一個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，如果空間比較大可以以每個(gè)面為中心多放些無線傳感器節(jié)點(diǎn)以提高測量準(zhǔn)確度。

2.2 濕度檢測電路

本設(shè)計(jì)采用了無線濕度傳感器模塊，該模塊包含了濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器及無線收發(fā)模塊，這里主要介紹一下濕度的采集及轉(zhuǎn)換電路，其他如A/D轉(zhuǎn)換器電路、無線收發(fā)模塊、無線接收模塊就不作詳細(xì)介紹了。從無線濕度傳感器模塊發(fā)出的信號經(jīng)接收模塊對信號進(jìn)行濾波放大、解調(diào)、再放大后送入單片機(jī)，單片機(jī)將信號處理后將測量數(shù)據(jù)送顯示電路由數(shù)碼管顯示，從而檢測出環(huán)境的濕度。

HS1101濕度傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比的電壓頻率信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器電路及無線收發(fā)模塊發(fā)送出去，經(jīng)接收模塊對信號進(jìn)行濾波放大、解調(diào)、再放大后送入單片機(jī)。

在電路中HS1101濕度傳感器接NE555電路的6和1腳，通過HS1101兩端的電容進(jìn)行充放電，使NE555電路的3腳輸出為“1”或“0”，從而輸出一系列脈沖信號，當(dāng)外界濕度變化時(shí)HS1101兩端的電容也發(fā)生變化使充放電時(shí)間改變所以使輸出脈沖的頻率發(fā)生變化。所以只要測出NE555電路的輸出頻率，并根據(jù)濕度與輸出頻率的關(guān)系就可以求出環(huán)境的濕度值。

2.3 濕度控制電路

本設(shè)計(jì)濕度控制電路采用固態(tài)繼電器SSR，當(dāng)有輸入信號光電耦合器的光電三極管飽和導(dǎo)通從而使SSR中的雙向可控硅導(dǎo)通，所以其主回路呈導(dǎo)通狀態(tài)，電熱絲通電加熱。無信號時(shí)主回路呈阻斷狀態(tài)電熱絲斷電。整個(gè)器件無可動(dòng)部件及觸點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于常用電磁繼電器一樣的功能。

單片機(jī)端口輸出的PWM方波控制固態(tài)繼電器SSR的開斷，從而控制濕度控制設(shè)備的開斷頻率，控制電熱絲的通斷，以達(dá)到加熱目的。這里用的是電加熱式加濕器。除濕的原理類似，是用單片機(jī)的另外的端口控制另一個(gè)固態(tài)繼電器來實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)程序流程圖

系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

4 測試結(jié)果與分析

本設(shè)計(jì)采用多個(gè)無線濕度傳感器節(jié)點(diǎn)對空間的多點(diǎn)位濕度進(jìn)行測量，適合于大空間濕度的檢測控制，所以將該系統(tǒng)的設(shè)備在一個(gè)大的倉庫進(jìn)行了測試。先將該倉庫分成東西兩個(gè)區(qū)，在每個(gè)區(qū)的中心位置放置該設(shè)備，然后對于東西二個(gè)空間六個(gè)面的四角和中心部位及空間中心部位分別放置一個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，如圖4所示，圖中是每個(gè)面?zhèn)鞲衅鞯姆胖梦恢?，黑點(diǎn)為傳感器。一般的不大的空間在中心部位放置一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)即可如圖5所示，如果空間較大可在中心部位多放幾個(gè)如圖6所示為空間中層傳感器節(jié)點(diǎn)的分布。

圖4 各面?zhèn)鞲衅鞣植?/p>

圖5 中心傳感器分布

圖6 中心層傳感器分布

由于該倉庫用來存儲(chǔ)物品一般要求比較干燥，所以相對濕度控制在45%～55%RH，這里取中間值設(shè)定濕度為50%RH。下面表1是以東區(qū)為測試對象一天24小時(shí)不同時(shí)間點(diǎn)實(shí)測濕度的數(shù)據(jù)。

從以上數(shù)據(jù)來看濕度最大絕對對誤差在±3%RH以內(nèi)，濕度控制符合要求，設(shè)備在此時(shí)間段內(nèi)沒有發(fā)生報(bào)警。

表1 東區(qū)濕度顯示值

5 結(jié)論

根據(jù)以上檢測數(shù)據(jù),濕度檢測及控制符合要求。本設(shè)計(jì)是通過無線濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的合理分布處理大量的采集信息能夠提高檢測的準(zhǔn)確度。除此之外，根據(jù)各監(jiān)測點(diǎn)檢測數(shù)據(jù)來重新布置傳感器節(jié)點(diǎn)位置，使其在存儲(chǔ)物品的空間內(nèi)最大范圍的分布節(jié)點(diǎn)，以及通過各監(jiān)測點(diǎn)的檢測數(shù)據(jù)合理放置濕度控制設(shè)備都可以提高檢測的準(zhǔn)確性。在實(shí)際使用時(shí)可根據(jù)實(shí)際空間的大小多分幾個(gè)層面放置傳感器節(jié)點(diǎn)，如圖4所示，可以相隔幾米設(shè)置一個(gè)類似層面；對于中心層面同樣根據(jù)房頂?shù)母叨确胖脦讓宇愃茍D6的傳感器節(jié)點(diǎn)。對于各檢測點(diǎn)濕度分布不均的情況，如個(gè)別點(diǎn)位濕度較大可使除濕設(shè)備接近這些點(diǎn)位以求達(dá)到除濕的最好效果。由于大量采用無線濕度傳感器節(jié)點(diǎn)，在信號傳輸中容易受到干擾，所以要在這些節(jié)點(diǎn)模塊里設(shè)置合適的抗干擾電路，以提高檢測的準(zhǔn)確性。